-
Hintergrund der Erfindung
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Hybrid-Energiesystem, das zwei
elektrische Energieversorgungsvorrichtungen verwendet, die eine
elektrische Basis-Energieversorgungsvorrichtung
aufweisen, die zum augenblicklichen Einstellen von Überschüssen und
Mängeln
an elektrischer Basisenergie verwendet wird, und eine elektrische
Ersatz-Energieversorgungsvorrichtung zum Löschen eines elektrischen Energieüberschusses
und unvermeidbarer, plötzlicher,
dauerhafter oder kurzzeitiger Defekte, die immer zu einem größeren oder
geringeren Ausmaß auftreten,
solange elektrische Energie auf dem Gebiet verwendet wird, bei welchem
elektrische Energie teilweise oder vollständig verwendet wird, und in
allen Systemen mit verschiedenen und nutzbaren Zuständen einer
Energie ab einer ersten Stufe, bei welcher die Energie erzeugt wird,
bis zu einer Endstufe, wie beispielsweise bei einem mechanischen
System, einem elektrischen System, etc.
-
Genauer
gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Hybrid-Energiesystem, das
als Last zum Speichern von Energie fungiert, wenn elektrische Energie
bei einem Elektrizitätswerk,
einer Boden-Unterstation oder einem Wagen von der erforderlichen Last,
die an das elektrische Energiesystem von der erforderlichen Last
des Wagens angeschlossen ist, im Übermaß vorhanden ist; und sie betrifft
ein Hybrid-Energiesystem, das eine erforderliche Last mit elektrischer
Energie von der elektrischen Ersatz- Energieversorgungsvorrichtung zur Einstellung
versorgt, wenn die elektrische Energie eine kurze Versorgung ist.
-
Beschreibung
des zugehörigen
Standes der Technik
-
Unter
Bezugnahme auf 6 wird ein herkömmliches
Hybrid-Energiesystem
beschrieben. Ein Hybrid-Energiesystem 100, das in 6 gezeigt
ist, besteht aus einer Leichtöl-Speichervorrichtung 26 als Energiespeichervorrichtung,
einem Dieselmotor 27 als Energiewandler, einer elektrischen
Energieerzeugungsvorrichtung 3, einer elektrischen Energieregenerations-Bremsvorrichtung 4a an
einem Wagen, wie beispielsweise einer Regenerationsvorrichtung,
einer Bleisäurebatterie 28 und
einer elektrischen Energie-Einstellvorrichtung 29.
Das Hybrid-Energiesystem 100 ist eine Hybrid-Energievorrichtung
vom Akkumulatorbatterie-Regenerationstyp
an einem Wagen zum Versorgen einer Last 13, die eine Antriebsvorrichtung
aufweist, etc., mit elektrischer Energie. Beispielsweise ist die
Hybrid-Energievorrichtung 100, die in dieser Figur gezeigt
ist, in einer Diesellokomotive eingebaut. Zu einer gemeinsam Zeit
erzeugt sie elektrische Energie mittels der elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 3,
die einen Dieselmotor 27 als Antriebsquelle verwendet,
und führt
die elektrische Energie zu der Last 13 zu, um den Wagen daraufhin
fahren zu lassen, und sie lädt
auch die Bleisäurebatterie 28 mit überschüssiger Energie.
Wenn ein Kurzschluss der elektrischen Energie für eine kurze Zeit auftritt,
wird die elektrische Energie, die fehlt, durch das Entladen der
Bleisäurebatterie 28 gebildet. Die
elektrische Energie, die durch eine Regenerations-Energieerzeugung
mittels der elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 4 am
Wagen erzeugt wird, wird zum Laden der Bleisäurebatterie 28 verwendet.
-
Einige
Beispiele für
ein solches Hybrid-Energiesystem sind in "Internal Combustion Engine and Accumulator" (Intersociety Energy
Conversion Engineering Conference: IECEC, 15th, 1980, Vol. 3, S. 1760)
und "Hybrid Power
Device of External Combustion Engine and Accumulator" (IECEC, 27th, 1992.
Vol. 3, S. 3167) gezeigt. Jedoch gab es bei solchen herkömmlichen
Systemen derartige Probleme, dass die Ladefähigkeit (kW), die durch die
Ladegeschwindigkeit des Akkumulators bestimmt wird, gering war;
und dass die elektrische Ladeenergie (kWh) pro Gewicht auch gering
war. Es gibt eine andere Hybrid-Energievorrichtung,
die einen Verbrennungsmotor und ein Schwungrad verwendet (IECEC,
25th, 1994, S. 205–211).
Jedoch hat diese Vorrichtung ein derartiges Problem, dass die Ladekapazität (kWh) pro
Schwungradgewicht bei gegenwärtigen
Umständen
bemerkenswert niedrig ist. Es gibt eine andere Hybrid-Energievorrichtung,
die einen Verbrennungsmotor und einen thermoelektrischen Wandler
enthält, aber
sie hat ein Problem einer merklich niedrigen thermoelektrischen
Umwandlungseffizienz (IECEC, 25th 1994, S. 1419). Es gibt eine andere
Hybrid-Energievorrichtung, die die Hybrid-Energievorrichtung einer Brennstoffzelle
und eines Akkumulators enthält (IECEC,
23rd, 1988, S. 227), aber sie hat ein derartiges Problem, dass die
Gewichtsenergieeffizienz des Akkumulators und seine Ladefähigkeit
sehr niedrig sind.
-
Solche
herkömmlichen
Hybrid-Energievorrichtungen werden durch Kombinieren von mehreren Energieerzeugungsvorrichtungen
realisiert, die bereits in der Praxis eingesetzt werden. Diese Hybrid-Energievorrichtungen
verwenden mehrere Energieerzeugungsquellen und verwenden wechselseitig eine
komplementierende Beziehung zwischen sich selbst, um jeweilige defekte
Stellen mit wechselseitig starken Stellen aufzubauen, und daher
ist ein Energieversorgungssystem umfasst, das weiterentwickelt als
eines ist, das eine unabhängige
Energievorrichtung aufweist. Obwohl eine solche herkömmliche Vorrichtung
nun teilweise bereit für
einen praktischen Einsatz gemacht worden ist, hat jede Vorrichtung
ein bestimmtes Problem bezüglich
einer zu einer Ladefähigkeit,
einer Entladefähigkeit,
einer Ladequantität, etc.
pro Gewicht und Volumen gehörenden
Regenerationsfähigkeit.
-
Darüber hinaus
gibt es eine Energievorrichtung vom Regenerations- und Reproduktionstyp,
die als Regenerationstyp-Energievorrichtung angesehen wird, die
eine einzige Energiespeichervorrichtung verwendet, die zu einer
Energievorrichtung gehört, um
gespeicherte Energie herauszuziehen, um die erforderliche Energie
zu bekommen, wenn sie erforderlich ist, nachdem die Energie zu der
Energiespeichervorrichtung gespeichert ist, welche aus der kinetischen
Energie eines Wagens mittels eines regenerativen Bremsens gesammelt
wird (IECEC, 25th, 1994 S. 1430). Jedoch gab es ein Problem einer
niedrigen Effizienz, das die Regeneration und Reproduktion bei einer
solchen herkömmlichen
Energievorrichtung vom Regenerationstyp begleitete.
-
Darüber hinaus
gibt es als Energievorrichtung vom Regenerationstyp zur Verwendung
im Weltraum ein System, das eine regenerative Brennstoffzelle verwendet,
um elektrische Energie zu erzeugen, welche Wasserstoff und Sauerstoff
verwendet, die im Voraus als Brennstoff abgespeichert wird, durch
Elektrolysieren von Wasser mittels einer Wasserelektrolysevorrichtung,
die eine Solarbatterie verwendet (IECEC, 24th 1989, S. 1631). Jedoch
wird diese regenerative Brennstoffzelle exzessiv zum Speichern und
zum Reproduzieren von Energie verwendet, hat aber nicht den Zweck
einer Energieerhaltung einer Ordnung hohen Rangs. Als entsprechendes
System, das auf der Erde verwendet wird, gibt es ein ähnliches
regeneratives Brennstoffzellensystem (International Hydrogen and
Clean Energy Symposium sponsored by NEDO, 1995, S. 31), aber es
wird nur zum Speichern und zum Regenerieren von Energie verwendet
und es hat nicht den Zweck einer Erhaltung von erforderlicher Energie
einer Ordnung hohen Rangs mittels einer Energiespeicherung von überschüssiger Energie
und einer Energieentladung bei einem Betrieb maximaler Effizienz
unter Verwendung der gesamten Fähigkeit
einer Energieerzeugung. Es gibt auch eine Energiestation mit gepumpter
Speicherung als weiteres Energieerzeugungssystem vom Regenerationstyp
(The Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan,
Vol. 115-B, 6, 1995, S. 447). Die Anordnung der Energiestation mit gepumpter
Speicherung ist allgemein entfernt von der Anforderungsstelle. Daher
hat dieses System ein derartiges Problem, dass ein Energieübertragungsverlust
unvermeidbar ist.
-
Zusätzlich gibt
es ein System, das einen Regler, etc., zum Einstellen eines Versorgungs-
und Anforderungsgleichgewichts verwendet, das durch eine Änderung
der elektrischen Energielast und die Änderung einer Erzeugungsenergie
aufgrund einer außergewöhnlichen
Parallelschaltung einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung,
etc. beeinflusst wird, aber es gibt noch ein derartiges Problem, dass
bei herkömmlichen
elektrischen Energiesystemen eine Einstellgeschwindigkeit nicht
immer so schnell wie erwartet ist.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben angegebenen
Probleme durch Realisieren einer schnellen Energieumwandlung und
eines Speichersystems in einem Starkstromerzeugungssystem zum Beibehalten
einer hohen Energie-zu-Gewicht- und -Volumen-Effizienz zu lösen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Hybrid-Energiesystem vom Regenerationstyp, wie
es im Anspruch 1 aufgezeigt ist, zur Verfügung gestellt.
-
Die
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung
können
als Vorrichtungen fungieren, die nahe der Anforderungsstelle eingebaut
sein können, d.
h. können
als Vorrichtungen vor Ort oder an Bord fungieren. Die Vorrichtungen
vor Ort und an Bord können
die Qualität
der Energie mittels regenerativer Energieumwandlungsvorrichtungen
erhöhen,
die eine Umwandlung, Speicherung und Erzeugung einer Hochleistungs-
bzw. Starkstromenergie hoher Effizienz erreichen können; und
dadurch werden eine Verbesserung der gesamten Energieumwandlungseffizienz
eines Wagens und eine Verbesserung der Qualität der elektrischen Energie
von elektrischen Energiesystemen erwartet. Darüber hinaus kann eine Ausnutzung
auf einem hohen Niveau einer Einrichtung, die eine elektrische Energie
verwendet, in Abhängigkeit
von der Verbesserung erwartet werden. Das bedeutet, dass das System,
bei welchem eine Hybrid-Zusammensetzung, die allgemein eine Ersatz-Energieerzeugungsquelle
enthält,
aufgebaut werden kann, wodurch die vorliegende Erfindung hauptsächlich charakterisiert
ist, und zwar mittels einer Hybrid-Regenerationsvorrichtung, die eine Regenerations-Energieumwandlungsfähigkeit
hat, die eine Energieumwandlung, -speicherung und -erzeugung hoher
Geschwindigkeit in einer Vorrichtung vor Ort und an Bord zur Verfügung stellt.
Durch Verwenden überschüssiger Energie,
wenn die überschüssige Energie
auftritt, wird Wasser durch eine Wasserelektrolysevorrichtung mit
hoher Effizienz elektrolysiert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff,
die durch die Wasserelektrolyse erzeugt werden, werden zu einer
Wasserstoff- und Sauerstoff-Speichervorrichtung gespeichert, oder
nur der erzeugte Wasserstoff wird gespeichert, wenn eine Brennstoffzelle
Elektrizität unter
Verwendung von Sauerstoff in Luft erzeugt. Elektrische Energie wird
durch eine Brennstoffzelle erzeugt, die den Wasserstoff und den
Sauerstoff, die gespeichert sind, als Brennstoff verwendet und eine Hybridenergie
auf geeignete Weise zuführt,
wenn eine Energie fehlt. Charakteristischerweise können eine
Umwandlung und eine Speicherung von Energie mit hoher Geschwindigkeit
und eine Erzeugung von hoher elektrischer Energie realisiert werden,
während
eine hohe Energie-Gewichts- und -Volumen-Effizienz beibehalten wird. Zusätzlich ist
es durch Herstellen einer Energie hoher Qualität mittels einer regenerativen
Energieumwandlung bei einer elektrischen Energieversorgungsvorrichtung
gemäß einem Hybrid-Energiesystem vom
Regenerationstyp der vorliegenden Erfindung möglich, eine gesamte Umwandlungseffizienz
in einem elektrischen Energiesystem und eine Qualität der elektrischen
Energie für ein
sich bewegendes Objekt zu verbessern.
-
Darüber hinaus
wird aufgrund dieser Verbesserung der Effekt erhalten, dass elektrische
Energie, die eine Einrichtung verwendet, mit einem hohen Niveau
an Energie verwendet werden kann.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Zusammensetzungsbeispiel eines Hybrid-Energiesystems einer
Selbsterregung und einer Regeneration an einem Wagen darstellt,
welches eines der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung ist.
-
2 ist
ein Blockdiagramm, das ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Hybrid-Energiesystems
einer externen Erregung und Regeneration an einem Wagen gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
-
3 ist
ein Blockdiagramm, das ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Hybrid-Energiesystems
einer Selbsterregung und einer externen Erregung und Regeneration
am Boden gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
4 ist
ein Blockdiagramm, das ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Hybrid-Energiesystems
einer externen Erregung und einer Regeneration am Boden gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
5 ist
ein Blockdiagramm, das ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Hybrid-Energiesystems
einer Verbindungsregeneration am Boden und an einem Wagen gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
-
6 ist
ein Blockdiagramm einer herkömmlichen
Hybrid-Energieversorgungsvorrichtung
vom Regenerationstyp durch eine Regeneration mit einem Akkumulator
an einem Wagen.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
-
Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Hybrid-Energiesystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt
ein Hybrid-Energiesystem
einer Selbsterregung und Regeneration an einem Wagen. Ein Hybrid-Energiesystem 20,
das in dieser Figur gezeigt ist, verwendet eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 40 zum
Erzeugen elektrischer Energie, welche eine Energiespeichervorrichtung 1 und einen
Energiewandler 2 und eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 3 enthält und an
einem Wagen 30, wie beispielsweise ein elektrisches Grundkapital
(hierin nachfolgend kann ein Wagen 30 derart angesehen
werden, dass es ein Elektrowagen, eine elektrische Lokomotive, etc.
enthält),
eingebaut ist, um elektrische Energie am Wagen 30 zu erzeugen.
Es gibt eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 4 an
einem weiteren benachbarten Wagen, die aus einer regenerativen Vorrichtung,
etc. besteht, und eine elektrische Boden-Energiestation/Unterstation 5 außerhalb
des Wagens 30, und sie sind mit einer außerhalb
vorgesehenen Energieversorgungsleitung (einem System) 6 verbunden,
die ein Kontaktsystem als überirdisches
Stromsammelsystem als nicht kontaktierendes System, wie beispielsweise
ein System unter Verwendung von Sondenspulen oder ein Leitersystem
einer dritten Schiene, etc., zusammen mit einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 40 aufweist.
Darüber
hinaus ist eine regenerative Brennstoffzelle 7 am Wagen 30 eingebaut.
-
Die
regenerative Brennstoffzelle 7 besteht aus einem Wärmetauscher 8,
der jede Vorrichtung und Atmosphäre
kühlt und
erwärmt,
einer Wasserelektrolysevorrichtung (einem Elektrolysegerät) 9,
welche Wasser elektrolysiert, einer Wasserstoff- und Sauerstoff-Speichervorrichtung 10,
die Wasserstoff und Sauerstoff speichert, die durch die Wasserelektrolysevorrichtung 9 zerlegt
werden und als chemische Energie angesehen werden, einer Brennstoffzelle 11,
die Elektrizität
durch Verwenden des Wasserstoffs und Sauerstoffs als Brennstoff
erzeugt, und einer Regenerations-Steuervorrichtung 12,
die die zur Wasserelektrolysevorrichtung 9 zuzuführende elektrische
Energie und die elektrische Energie, welche die Brennstoffzelle 11 erzeugt,
steuert. Die Regenerations-Steuervorrichtung 12 überwacht
den Übermaß- oder
Mangelzustand der elektrischen Energie, die über eine Verteilungsleitung 14 am
Wagen 30 zugeführt
wird, und wenn diese fehlt, steuert sie jede Vorrichtung so, um
die Gleichstrom- oder Wechselstromleistung zuzuführen, die durch eine Last 13 erfordert
wird, wie beispielsweise diejenige, die aus Lasten zum Antreiben
besteht, wie beispielsweise Motoren, etc., und die anderen elektrischen
Lasten, und zwar direkt von der Brennstoffzelle 11 oder
nach einem Ändern
des Zustands, wenn es nötig
ist. Die Regenerations-Steuervorrichtung 12 steuert
auch jede Vorrichtung, um die Wasserelektrolysevorrichtung 9 zum
Elektrolysieren des gespeicherten Wassers durch Zuführen von
elektrischer Energie von der außerhalb
gelegenen Energieversorgungsleitung 6 zu der Wasserelektrolysevorrichtung 9 über die
Verteilungsleitung 14 am Wagen zu steuern, wenn es einen Überschuss
(Raum) an elektrischer Energie bei der elektrischen Energie auf
der Energieversorgungsseite, gesehen von der außerhalb gelegenen Energieversorgungsleitung 6,
gibt. Die Regenerations-Steuervorrichtung 12 steuert dann
die Wasserstoff- und Sauerstoff-Speichervorrichtung 10 zum Speichern
des Wasserstoffs und Sauerstoffs, welche erzeugt sind.
-
Wenn
es eine überschüssige elektrische
Energie auf der Energieversorgungsseite, gesehen von der außerhalb
gelegenen Energieversorgungsleitung 6, gibt, wenn das regenerative
Bremsen bei der Last 13 aktiviert wird, steuert die Regenerations-Steuervorrichtung 12 auch
jede Vorrichtung, damit die Wasserelektrolysevorrichtung 9 das
gespeicherte Wasser durch Zuführen
von elektrischer Energie von der Last 13 in einem regenerativen
Bremszustand zu der Wasserelektrolysevorrichtung 9 über die
Verteilungsleitung 14 am Wagen elektrolysiert, und sie
steuert die Wasserstoff- und Sauerstoff-Speichervorrichtung 10 zum
Speichern des Wasserstoffs und Sauerstoffs, welche erzeugt sind.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
das in 1 gezeigt ist, kann als System einer Selbsterregung
an einem Wagen gedacht sein, weil es mit einer der elektrischen
Energieversorgungsquellen für
die Last 13 an dem Wagen 30 ausgestattet ist.
Das bedeutet, dass das Hybrid-Energiesystem in 1 eine
elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 40 an dem Wagen
sowie elektrische Energieerzeugungsvorrichtungen am Boden und eine
regenerative Brennstoffzelle 7 enthält. Darüber hinaus kann es als ein
System einer Selbsterregung und einer Regenerierung an dem Wagen
gedacht sein, weil die regenerative Brennstoffzelle 7 zum
Regenerieren von elektrischer Energie auch am Wagen 30 eingebaut
ist.
-
Als
Modifikation des in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiels
kann in einem Fall eines Weglassens des Energiewandlers 2,
wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors, etc., welcher indirekt
die elektrische Energie umwandelt, die Konfiguration der elektrischen
Energieerzeugungsvorrichtung 40 geändert werden, um das Erzeugungssystem
zwischen der Energiespeichervorrichtung 1 und der elektrischen
Energieerzeugungsvorrichtung 3 zu modifizieren, um die
Energiespeichervorrichtung 1 und die elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 3 direkt
zu verbinden. Es ist auch möglich,
zu denken, dass die Last 13 nicht nur die Lasten enthält, die am
Wagen 30 eingebaut sind, sondern auch Lasten außerhalb
an anderen Wagen enthält.
Eine Vorrichtung zum Erlangen von atmosphärischer Luft (Sauerstoff) kann
statt der Vorrichtung zum Speichern von nur Sauerstoff in der Wasserstoff-
und Sauerstoff-Speichervorrichtung 10 verwendet
werden. Weiterhin können
diese Modifikationen auf dieselbe Weise auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
angewendet werden, die nachfolgend beschrieben sind.
-
Als
nächstes
wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Hybrid-Energiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung von 2 erklärt. 2 zeigt
eine Zusammensetzung eines Hybrid-Energiesystems, das aus außerhalb
gelegenen Energieversorgungssystemen (Systemen mit externer Anregung)
als Kontaktsysteme besteht, und aus innerhalb gelegenen Energieversorgungssystemen
(Regenerationssystemen an einem Wagen). Zusätzlich sind in 2 identische Bezugszeichen
an die Komponenten angebracht, die identisch zu denjenigen in 1 sind
(wie bei allen folgenden Beispielen).
-
Ein
Hybrid-Energiesystem 21, das in dieser Figur gezeigt ist,
besteht aus einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 4,
wie beispielsweise einer Regenerationsvorrichtung, die an einem
Wagen angeordnet ist, einer elektrischen Boden-Energiestation/Unterstation 5 und
einer außerhalb
gelegenen Energieversorgungsleitung 6, von welchen alle
außerhalb
des Wagens 30a existieren; und einer regenerativen Brennstoffzelle 7,
einer Last 13 als Antriebsvorrichtung und einer Verteilungsleitung 14,
die an einem Wagen angeordnet ist, von welchen alle im Wagen 30a eingebaut
sind. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gesamte
elektrische Energie, die zu der regenerativen Brennstoffzelle 7 zugeführt wird,
die im Wagen 30a eingebaut ist, von außerhalb des Wagens 30a zugeführt, solange
eine Erzeugung von Elektrizität
durch ein regeneratives Bremsen der Last 13 nicht aktiviert
ist. Die regenerative Brennstoffzelle 7 besteht aus einem
Wärmetauscher 8,
einer Wasserelektrolysevorrichtung 9, einer Wasserstoffspeichervorrichtung 10,
einer Brennstoffzelle 11 und einer Regenerations-Steuervorrichtung 12,
wie in 1. Wenn bestimmt wird, dass elektrische Energie
fehlt, versorgt die Regenerations-Steuervorrichtung 12 die
Last 13 mit der Ausgabe der Brennstoffzelle 11 als
zusätzlicher
Energie, um eine innerhalb gelegene Last von einer externen Energie (einer
Energie von einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 4,
etc.) zu versorgen, und zwar direkt oder indirekt, nach einer Änderung
des Zustands der Ausgabe zu einer Wechselstrom- oder Gleichstrom-Energieversorgung,
um die Anforderungen der Last 13 zu erfüllen, und zwar über die
Verteilungsleitung 14. Andererseits, nämlich dann, wenn bestimmt wird,
dass elektrische Energie überschüssig ist,
betreibt die Regenerations-Steuervorrichtung 12 die Wasserelektrolysevorrichtung 9,
die Wasserstoffspeichervorrichtung 10 und den Wärmetauscher 8 zum
Speichern von Wasserstoff.
-
Als
Nächstes
wird ein weiteres bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Hybrid-Energiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 3 erklärt. Ein
Hybrid-Energiesystem 23, das in 3 gezeigt
ist, ist ein Hybrid-Energiesystem einer Selbsterregung und einer
externen Erregung und einer Regeneration am Boden. Das Hybrid-Energiesystem 23 ist
dadurch charakterisiert, dass das System mit einer Boden-Unterstation 5a ausgestattet ist,
welche am Boden aufgebaut ist und welche aus einer Energiespeichervorrichtung 1,
einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 40 mit
einem Energiewandler 2 und einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 3 und
einer regenerativen Brennstoffzelle 7a besteht. Am Boden
hat das Hybrid-Energiesystem 23 auch
eine elektrische Energieerzeugungsvorrichtung 4 an einem
anderen Wagen, der eine Regenerationsvorrichtung, etc. aufweist, und
eine elektrische Boden-Energiestation/Unterstation 5 als
weitere elektrische Energiequellen; und hat auch eine außerhalb
gelegene Energieversorgungsleitung 6. Daher sind bei diesem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
nur eine Last 13 und eine Verteilungsleitung 14 im
Wagen 30b vorgesehen, und der Wagen 30b ist nicht
mit irgendeiner Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie
ausgestattet. Elektrische Energie für die Last 13 wird über die
außerhalb
gelegene Energieversorgungsleitung 6 und die Verteilungsleitung 14,
die am Wagen ist, von Boden-Unterstationen 5 und 5a und
der elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 4, die an
einem anderen Wagen ist, zugeführt.
Die regenerative Brennstoffzelle 7a besteht aus einem Wärmetauscher 8,
einer Wasserelektrolysenvorrichtung 9, einer Wasserstoffspeichervorrichtung 10,
einer Brennstoffzelle 11, von welchen alle wie die entsprechenden
Komponenten aufgebaut sind, die in 1 gezeigt
sind, und aus einer Regenerations-Steuervorrichtung 12a.
Die Regenerations-Steuervorrichtung 12a bestimmt
den Überschuss-
oder Mangelzustand an elektrischer Energie und dann, wenn sie fehlt,
führt sie
die elektrische Energie, die die Brennstoffzelle 11 erzeugt,
zu der Last 13, wie beispielsweise einer Antriebsvorrichtung, über die
außen
gelegene Energieversorgungsleitung 6 und die Verteilungsleitung 14,
die am Wagen angeordnet ist, direkt oder indirekt nach einem Ändern des
Zustands der elektrischen Energie zu einer Wechselstrom- oder Gleichstromleistung,
welche die Last 13 erfordert, gemäß einer Anforderung zu. Wenn
bestimmt wird, dass die elektrische Energie im Überschuss vorhanden ist, betreibt
die Regenerations-Steuervorrichtung 12a die
Wasserelektrolysevorrichtung 9, die Wasserstoffspeichervorrichtung 10 und
den Wärmetauscher 8,
um Wasserstoff zu speichern.
-
Als
Nächstes
wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Hybrid-Energiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 4 erklärt. 4 stellt
ein Hybrid-Energiesystem dar, das aus Energieübertragungsleitungen als Gitter-
und Regenerationseinrichtung am Boden besteht. Die Energieübertragungsleitung 34 ist
in einem Überwachungsbereich
eines Energieanbieters angeordnet, der mit einem Vertrag zwischen
dem Energieanbieter bzw. dem Energieversorger und einem Anforderungsanwender
bestimmt ist. Im Hybrid-Energiesystem in 1 hat eine
Boden-Unterstation 5b keine Einrichtung zur Energieerzeugung.
Elektrische Energie wird zur Last 13 über eine außen gelegene Energieversorgungsleitung 6 von
der Regenerations-Steuervorrichtung 12b zugeführt, welche
einen DC-DC-Wandler, einen DC-AC-Inverter, etc. enthalten kann,
oder direkt von einer Empfangs- und Transformationseinrichtung 15,
die mit einer Energieübertragungsleitung 34 in
Verbindung ist, wenn die Last 13 von einem AC-Typ ist,
oder direkt von einem Gleichrichter 16, wenn die Last 13 von
einem DC-Typ ist, ohne durch eine Steuervorrichtung 12b zu
laufen (diese Wege sind nicht dargestellt). Die elektrische Energie
wird auch zu der Last 13 über die außen gelegene Energieversorgungsleitung 6 von
einer elektrischen Energieerzeugungsvorrichtung 4, wie
beispielsweise eine regenerative Bremsvorrichtung, welche an einem
anderen Wagen ist, zugeführt.
Bei der Boden-Unterstation 5b wird
die elektrische Energie, die von der Energieübertragungsleitung 34 zugeführt wird,
beispielsweise zu der Regenerations-Steuervorrichtung 12b zugeführt, nachdem
sie durch die Empfangs- und Transformationseinrichtung 15 transformiert
und durch den Gleichrichter 16 gleichgerichtet ist, wenn
die zugeführte
Energie eine Wechselstromleistung einer Frequenz einer kommerziellen
Energie ist. Die regenerative Brennstoffzelle 7b, die in
der Boden-Unterstation 5b eingebaut
ist, besteht aus einem Wärmetauscher 8,
einer Wasserelektrolysevorrichtung 9, einer Wasserstoffspeichervorrichtung 10,
einer Brennstoffzelle 11 und einer Regenerations-Steuervorrichtung 12b.
Die Regenerations-Steuervorrichtung 12b überwacht
den Überschuss- oder Mangelzustand
an elektrischer Energie, und dann, wenn bestimmt wird, dass diese
fehlt, führt sie
die elektrische Energie der Brennstoffzelle 11 zu der Last 13 über die
außen
gelegene Energieversorgungsleitung 6 und die Verteilungsleitung 14 direkt oder
indirekt nach einem Ändern
des Zustands der elektrischen Energie zu einer Wechsel- oder Gleichstromleistung,
welche die Last 13 erfordert, gemäß einer Anforderung zu. Wenn
bestimmt wird, dass die elektrische Energie überschüssig ist, betreibt die Regenerations-Steuervorrichtung 12b die
Wasserelektrolysevorrichtung 9, die Wasserstoffspeichervorrichtung 10 und
den Wärmetauscher 8,
um Wasserstoff zu speichern.
-
Weiterhin
ist die Zusammensetzung der Boden-Unterstation 5b nicht
auf diejenige beschränkt, die
oben beschrieben ist. Beispielsweise ist es möglich, elektrische Energie
zu der Last 13 über
die Empfangs- und Transformationseinrichtung 15 direkt
von der Energieübertragungsleitung 34 durch
Einbauen eines Wandlers in die Regenerations-Steuervorrichtung 12b zum
Umwandeln des Wechselstroms zu einem Gleichstrom und dann zum Weglassen
des Gleichrichters 16 zuzuführen.
-
Als
Nächstes
wird ein weiteres bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Hybrid-Energiesystems gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Das System, das in 5 gezeigt ist, weist eine regenerative
Brennstoffzelle für eine
Verbindungsregeneration am Boden und an einem Wagen auf. Das System
besteht aus einem Regenerationssystem 19, das an einem
Wagen angeordnet ist und das dasselbe wie dasjenige ist, das in 1 oder
in 2 gezeigt ist (das System 20 der 1 oder
das System 21 der 2); und
ein Regenerationssystem 22, das am Boden angeordnet ist, welches
dasselbe wie dasjenige ist, das in 3 oder in 4 gezeigt
ist (das System 23 der 3 oder das
System 24 der 4).
-
Jedes
Hybrid-Energiesystem arbeitet in enger Zusammenarbeit zum Versorgen
einer Last 13, wie beispielsweise einer Antriebsvorrichtung,
mit elektrischer Energie. In diesem System ist eine Verbindungsleitung 25 zwischen
einem Regenerationssystem 19, das an einem Wagen angeordnet
ist, und einem Regenerationssystem 22, das auf der Erde
angeordnet ist, vorgesehen, um Steuersignale, die für eine Verbindungssteuerung
von elektrischer Energie in jedem System verwendet werden, zu senden
und zu empfangen. Das Hybrid-Energiesystem
der 5 betreibt jedes System in einem verbundenen Zustand
oder betreibt jedes System unabhängig,
und zwar entsprechend verschiedenen Zuständen. Das System hat einen
hohen Freiheitsgrad für
einen Betrieb und kann daher auf einfache Weise eine Energiespeicherung
und eine Energieentladung von überschüssiger Energie
realisieren, die durch einen Betrieb maximaler Effizienz einer Energieerzeugungsfähigkeit
erzeugt wird. Daher kann die Erhaltung einer Energie einer Ordnung
hohen Rangs einfacher als bei den anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen erreicht
werden.
-
Als
Nächstes
werden hierin nachfolgend Operationen bzw. Betriebsvorgänge und
mögliche Effekte
beim Verwenden der oben angegebenen Hybrid-Energiesysteme beschrieben.
- (1) Beschleunigen von Wagen unter Verwendung einer
existierenden Unterstationskapazität
Mit größer werdendem
Abstand von einer Unterstation fällt
selbst dann, wenn die Unterstation ausreichend Unterstationskapazität hat oder
die Unterstation ein Konstantspannungs-Steuersystem hat, die Spannung
einer Zufuhrschaltung aufgrund des Spannungsabfalls um die Zufuhrschaltungskonstante
ab. Eine Fahrkurve, die als Zustand zum Bestimmen der Standardbetriebszeit eines
Betriebszugs verwendet wird, ist in einer Größenordnung festgelegt, dass
die Zufuhrspannung nicht unter eine zulässige minimale Spannung in
jeder Zufuhrstation abfällt,
wobei vorausgesetzt ist, dass es einen bestimmten Spannungsabfall
durch eine Zufuhrschaltung gibt. Daher wird ein Spannungsüberschuss
in einigen Zufuhrstationen verursacht. Unter Verwendung eines Hybrid-Energiesystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann durch Speichern elektrischer Energie in eine regenerative
Brennstoffzelle bei einem Zufuhrabschnitt, in welchem eine überschüssige Spannung
veranlasst wird, und durch Regenerieren der elektrischen Energie,
die in einem Zufuhrabschnitt gespeichert ist, in welchem ein Spannungsabfall
auftritt, eine offensichtliche Impedanz der Zufuhrschaltung, die
von einer Last an einem Wagen gesehen wird, durch diese Verwendung
reduziert werden. Es ist auch möglich, die
Zufuhrschaltung, wie sie von der Last an dem Wagen gesehen wird,
als eine Konstantspannungs-Energieversorgung
ohne ein Ändern
einer existierenden Unterstationskapazität durch diese Verwendung anzusehen.
Eine höhere
zulässige minimale
Einstellspannung kann daher verwendet werden, wenn die Fahrkurve
des Wagens bestimmt wird, und Erhöhungen bezüglich der Geschwindigkeit des
Wagens können
auch realisiert werden.
- (2) Verhinderung einer Erhöhung
einer Unterstationskapazität
und Bildung einer neuen Unterstation für Hochleistungszüge, welche
mit einer niedrigen Frequenz bzw. Häufigkeit in Zufuhrabschnitten
laufen, die als eine Schiene für
eine Standardzugorganisation entwickelt sind, und der Effekt eines
Verhinderns, dass die Zufuhrspannung kleiner als eine zulässige minimale
Spannung wird
Eine Unterstationskapazität wird eingestellt, um in ausreichendem
Maß einer
Standardzugorganisation zu entsprechen, die in einem Zufuhrabschnitt läuft. Andererseits
gibt es einige Notwendigkeiten für
elektrische Lokomotiven, die größere Ausgaben
als Standardzugorganisationen haben, für Hochleistungszüge, wie
begrenzte Expresszüge, die
relativ längere
Zugorganisationen haben, etc., um bei einer niedrigen Frequenz im
Zufuhrabschnitt zu laufen, in welchem eine Unterstationskapazität gemäß einer
Standardzugorganisation bestimmt ist. Jedoch ist es bei herkömmlichen Systemen
nicht möglich,
solche unregelmäßigen Zugorganisationen
ohne ein Ändern
von Einrichtungen laufen zu lassen, und zwar aufgrund eines Mangels
einer Unterstationskapazität
oder aufgrund des Auftretens dessen, dass eine Zufuhrspannung unter
eine zulässige
minimale Spannung fällt,
und zwar aufgrund eines Spannungsabfalls, der immer erwartet wird.
Andererseits ist es dann, wenn ein Hybrid-Energiesystem gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, möglich,
den Mangel an Unterstationskapazität und den Abfall einer Spannung
unter die zulässige
minimale Spannung aufgrund eines Spannungsabfalls zu verhindern,
und es ist daher möglich,
eine Erhöhung
einer Unterstationskapazität
zu vermeiden, und die Bildung einer neuen Unterstation zum Laufenlassen
von Hochleistungszügen,
die mit einer geringen Häufigkeit
bzw. niedrigen Frequenz verwendet werden.
- (3) Effekt einer Reduktion von Kapitalkosten für eine neue
Energiekonstruktion durch Erweitern eines Unterstationsintervalls
für Züge, die
auf der neuen Linie mit einer niedrigen Frequenz bzw. Häufigkeit
laufen
Durch Einführen
eines Hybrid-Energiesystems einer Regeneration an einem Wagen gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
das Unterstationsintervall zu erweitern, weil es möglich ist, Elektrizität an einem
Wagen zu erzeugen, um die Energie oder die Spannung, die in der
Mitte von benachbarten Unterstationen oder am Endabschnitt einer
Unterstation, die in einer Richtung sendet, zu ergänzen.
- (4) Serviceverbesserungseffekte durch Vermeiden eines Schienenfahrzeugbetriebs
in elektrifizierten Abschnitten oder durch Transferieren von Passagieren
bei Stellen zwischen elektrifizierten und nicht elektrifizierten
Abschnitten
Es gibt ein Beispiel, dass ein gemischter Wagen mit
einem elektrischen Wagen und einem Schienenwagen für Abschnitte
verwendet wird, die sowohl elektrifizierte als auch nicht elektrifizierte
Abschnitte in einem herkömmlichen
System enthalten. Jedoch dann, wenn ein Hybrid-Energiesystem einer
Regeneration am Wagen gemäß der vorliegenden
Erfindung eingeführt
wird, ist es möglich,
den Zug unter Verwendung von nur elektrischen Wägen zu organisieren, und dadurch eine
hohe Service-Fähigkeit
zu erhalten. Wenn der Zug mit einer regenerativen Brennstoffzelle ausgestattet
ist, ist es möglich,
den Zug durch nicht elektrifizierte Abschnitte laufen zu lassen, die
zwischen elektrifizierten Abschnitten angeordnet sind, wenn die
nicht elektrifizierten Abschnitte relativ kurz sind. Es ist auch
möglich,
ein Ausbauen bzw. Upgraden von engen Tunneln zu vermeiden, wenn
eine Schiene mit Rahmenleitungen elektrifiziert wird, indem der
Tunnel als nicht elektrifizierter Abschnitt gelassen wird und Züge, die mit
einer regenerativen Brennstoffzelle ausgestattet sind, im Tunnel
laufen gelassen werden. Daher verbessert der Investitionseffekt
einer Elektrifizierung sich deshalb, weil teure Tunnelerneuerungskosten
reduziert werden können.
- (5) Energiesparbetrieb durch Verwenden deaktivierter elektrischer
Energie während
einer regenerativen Bremserzeugung von Elektrizität
Durch
regeneratives Bremsen erzeugte elektrische Energie wird grundsätzlich zu
einem anderen Wagen zugeführt,
der nahe zu dem Wagen läuft,
der die Energie erzeugt. Jedoch dann, wenn die Energie eines regenerativen
Bremsens aus dem Grund überschüssig ist,
dass es keinen Zug gibt, der daneben fährt, etc., wird die Energie
eines regenerativen Bremsens deaktiviert, um zu verhindern, dass
eine Spannung in der Zufuhrschaltung ansteigt. Andererseits ist
es möglich, solche
deaktivierte elektrische Energie zum Laden einer regenerativen Brennstoffzelle
zu verwenden, wenn ein Hybrid-Energiesystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird. Daher kann ein Unterstationskapazitäts-Reduktionseffekt,
ein Schuhverbrauchs-Reduktionseffekt, etc. erwartet werden, wenn
ein Hybrid-Energiesystem gemäß der vorliegenden
Erfindung eingeführt
wird.
- (6) Kapitalkostenreduktionseffekt durch Eliminieren einer Installation
einer Reserveumwandlungseinrichtung
Bei herkömmlichen
Systemen ist eine elektrische Reserve-Energieumwandlungseinrichtung erforderlich,
um in dem Fall einer Schwierigkeit mit einer regulär verwendeten
Umwandlungseinrichtung eine Behinderung eines Zugbetriebs zu verhindern.
Jedoch kann ein Hybrid-Energiesystem gemäß der vorliegenden Erfindung
die Installation einer Reserve- Umwandlungseinrichtung
vermeiden, weil eine regenerative Brennstoffzelle anstelle der Reserve-Umwandlungseinrichtung
verwendet werden kann. Das bedeutet, dass es möglich ist, eine Behinderung
eines Zugbetriebs selbst dann zu verhindern, wenn die regulär verwendete Umwandlungseinrichtung
eine Schwierigkeit verursacht, und der oben beschriebene Kapitalkostenreduktionseffekt
kann erwartet werden.
-
Zusätzlich zu
den oben angegebenen Möglichkeiten
gibt es einige andere Möglichkeiten,
wie es folgt. Eine feste minimale Belastung für eine Energieversorgungsfirma
wird durch einen gemessenen Anforderungs-Spitzenwert bestimmt. Daher
kann ein Effekt einer Reduktion bezüglich eines Kostenbeschneidungseffekts
erwartet werden, weil eine Reduktion bezüglich des Spitzenwerts mit
einem Hybrid-Energiesystem
möglich
sein kann, das mehrere Versorgungen an einem Wagen und am Boden
hat. Beim Versuchen einer stabilen elektrischen Energieübertragung
in einem elektrischen Energiesystem gibt es einige Kriterien, die
in Bezug auf eine Spannungsstabilität sowie eine Stabilität im eingeschwungenen
Zustand bzw. eine Dauerbelastungsstabilität und eine Übergangsstabilität für elektrische
Energie sicherzustellen sind. In der Vergangenheit wird für eine Stabilität einer
elektrischen Energie eine Stabilisierung einer elektrischen Energie
durch Steuern der reaktiven Energie eines Voreilens und eines Nacheilens
mittels SVC, SVG, eines synchronen Phasenmodifizierers, etc. versucht.
Zur Spannungsstabilisierung wird eine Stabilisierung einer Spannung
durch ein Auslöschen
einer Gezeitenabweichung in einem elektrischen Energiesystem mittels
einer geeigneten Anordnung der Energieversorgung, einer Förderung einer Übertragungsspannung,
einer Erhöhung
und eines Aufbauens von Energieübertragungsleitungen und
Unterstationen, etc. versucht. Diesem herkömmlichen Verfahren sind begleitet
mit einer Impedanzsteuerung (hauptsächlich einem Steuern einer
Reaktanz) oder einer Spannungsquellensteuerung während einer elektrischen Energieübertragung,
und eine schnelle Steuergeschwindigkeit ist bei einer solchen Steuerung
gefragt.
-
Andererseits
ist es dann, wenn ein Hybrid-Energiesystem gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, möglich,
das Problem auf einfache Weise zu lösen, weil die Steuergeschwindigkeit des
Hybrid-Energiesystems der vorliegenden Erfindung schneller als diejenigen
der herkömmlichen Verfahren
ist. Das Problem einer Erhöhung
eines elektrischen Stroms kann auch verbessert werden, weil eine
regenerative Brennstoffzelle als elektrische Stromquelle arbeitet.
Darüber
hinaus können
eine Stabilisierung eines eingeschwungenen Zustands und eine Übergangsstabilisierung
der elektrischen Energie und eine Stabilisierung der Spannung gleichzeitig
verbessert werden, weil ein Energieerzeugungssystem vor Ort, das
sich der Stelle einer Anforderung annähert, gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut
werden kann.
-
Eine
Verwendung von Effizienzen von elektrischen Energieeinrichtungen
im zeitlichen Durchschnitt, wie beispielsweise einem Durchschnitt
eines ganzen Tags, einem Durchschnitt eines Monats, einem Durchschnitt
einer Jahreszeit und einem Durchschnitt eines Jahres, sind nicht
immer so hoch, obwohl ein Prozentsatz einer Reserveversorgung, welches
ein Prozentsatz eines Einrichtungsüberschusses bei einer Spitze
in elektrischen Energiesystemen ist, normalerweise kleiner als 10%
ist und keinen solchen großen Überschuss
enthält.
Bei der vorliegenden Erfindung können
die Wasserelektrolysevorrichtung und die Wasserstoff- und Sauerstoff-Speicherung
als Last zur Lastauspegelung arbeiten. Das bedeutet, dass eine Regeneration
bei der regenerativen Brennstoffzelle zum Steuern einer Stabilisierung
eines eingeschwungenen Zustands und einer Übergangsstabilisierung einer
elektrischen Energie und einer Spannungsstabilisierung durch Verwendung der
gespeicherten Energie von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden
kann, welches durch die regenerative Erzeugung erzeugt wird.